Химия

Элемент № 74 вольфрам причисляют обычно к редким металлам: его содержание в земной коре оценивается в 0,0055%; его нет в морской воде, его не удалось обнаружить в солнечном спектре. Однако по популярности онможет поспорить со многими отнюдь не редкими металлами, а его минералы были известны задолго до открытия самого элемента. Так, еще в XVII в. во многих европейских странах знали «вольфрам» и «тунгстен» - так называли тогда наиболее распространенные минералы вольфрама - вольфрамит и шеелит. А элементарный вольфрам был открыт в последней четверти XVIII в .

Вольфрамовая руда

Очень скоро этот металл получил практическое значение - как легирующая добавка. А после Всемирной выставки 1900 г. в Париже, на которой демонстрировались образцы быстрорежущей вольфрамовой стали, элемент № 74 стали применять металлурги во всех более или менее промышленно развитых странах. Главная особенность вольфрама как легирующей добавки заключается в том, что он придает стали красностойкость - позволяет сохранить твердость и прочность при высокой температуре. Более того, большинство сталей при охлаждении на воздухе (после выдержки при температуре, близкой к температуре красного каления) теряют твердость. А вольфрамовые - нет.
Инструмент, изготовленный из вольфрамовой стали, выдерживает огромные скорости самых интенсивных процессов металлообработки. Скорость резания таким инструментом измеряется десятками метров в секунду.
Современные быстрорежущие стали содержат до 18% вольфрама (или вольфрама с молибденом), 2-7% хрома и небольшое количество кобальта. Они сохраняют твердость при 700-800° С, в то время как обычная сталь начинает размягчаться при нагреве всего до 200° С. Еще большей твердостью обладают «стеллиты» - сплавы
вольфрам а с хромом и кобальтом (без железа) и особенно карбиды вольфрама - его соединения с углеродом. Сплав «видна» (карбид вольфрама, 5-15% кобальта и небольшая примесь карбида титана) в 1,3 раза тверже обычной вольфрамовой стали и сохраняет твердость до 1000- 1100° С. Резцами из этого сплава можно снимать за минуту до 1500-2000 м железной стружки. Ими можно быстро и точно обрабатывать «капризные» материалы: бронзу и фарфор, стекло и эбонит; при этом сам инструмент изнашивается совсем незначительно.
В начале XX в. вольфрамовую нить стали применять в электрических лампочках: она позволяет доводить накал до 2200° С и обладает большой светоотдачей. И в этом качестве вольфрам совершенно незаменим до наших дней. Очевидно, поэтому электрическая лампочка названа в одной популярной песне «глазком вольфрамовым».

Минералы и руды вольфрама

Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трехокисыо вольфрама WO 3 и окислами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Наиболее распространенный минерал, вольфрамит, представляет собой твердый раствор вольфраматов (солей вольфрамовой кислоты) железа и марганца (mFeW0 4 *nMnW0 4). Этот раствор - тяжелые и твердые кристаллы коричневого или черного цвета, в зависимости от того, какое соединение преобладает в их составе. Если больше побнерита (соединения марганца), кристаллы черные, если же преобладает железосодержащий ферберит - коричневые. Вольфрамит парамагнитен и хорошо проводит электрический ток.
Из других минералов вольфрама промышленное значение имеет шеелит - вольфрамат кальция CaW04. Он образует блестящие, как стекло, кристаллы светло-желтого, иногда почти белого цвета. Шеелит немагнитен, но он обладает другой характерной особенностью - способностью к люминесценции. Если его осветить ультрафиолетовыми лучами, он флуоресцирует в темноте ярко-синим цветом. Примесь молибдена меняет окраску свечения шеелита: она становится бледно-синей, а иногда даже кремовой. Это свойство шеелита, используемое в геологической разведке, служит поисковым признаком, позволяющим обнаружить залежи минерала.
Месторождения вольфрамовых руд теологически связаны с областями распространения гранитов . Крупнейшие зарубежные месторождения вольфрамита и шеелита находятся в Китае, Бирме, США, Боливии и Португалии. Наша страна тоже располагает значительными запасами минералов вольфрама, главные их месторождения находятся на Урале, Кавказе и в Забайкалье.
Крупные кристаллы вольфрамита или шеелита - большая редкость. Обычно вольфрамовые минералы лишь вкраплены в древние гранитные породы - средняя концентрация вольфрама в итоге оказывается в лучшем случае 1-2%. Поэтому извлечь вольфрам из руд очень трудно.

Как получают вольфрам

Первая стадия - обогащение руды, отделение ценных компонентов от основной массы - пустой породы. Методы обогащения - обычные для тяжелых руд и металлов: измельчение и флотация с последующими операциями - магнитной сепарацией (для вольфрамитиых руд) и окислительным обжигом.
Полученный концентрат чаще всего спекают с избытком соды, чтобы перевести вольфрам в растворимое соединение - вольфрамат натрия. Другой способ получения этого вещества - выщелачивание; вольфрам извлекают содовым раствором под давлением и при повышенной температуре (процесс идет в автоклаве) с последующей нейтрализацией и осаждением в виде искусственного шеелита, т. е. вольфрамата кальция. Стремление получить именно вольфрамат объясняется тем, что из него сравнительно просто, всего в две стадии:
CaW0 4 → H 2 W0 4 или (NH 4) 2 W0 4 → WO 3 , можно выделить очищенную от большей части примесей окись вольфрама.
Есть еще один способ получения окиси вольфрама - через хлориды. Вольфрамовый концентрат при повышенной температуре обрабатывают газообразным хлором. Образовавшиеся хлориды вольфрама довольно легко отделить от хлоридов других металлов методом возгонки, используя разницу температур, при которых эти вещества переходят в парообразное состояние. Полученные хлориды вольфрама можно превратить в окисел, а можно пустить непосредственно на переработку в элементарный металл.

Превращение окислов или хлоридов в металл - следующая стадия производства вольфрама. Лучший восстановитель окиси вольфрама - водород. При восстановлении водородом получается наиболее чистый металлический вольфрам. Процесс восстановления происходит в трубчатых печах, нагретых таким образом, что по мере продвижения по трубе «лодочка» с W0 3 проходит через несколько температурных зон. Навстречу ей идет поток сухого водорода. Восстановление происходит и в «холодных» (450-600° С) и в «горячих» (750-1100° С) зонах; в «холодных» - до низшего окисла W0 2 , дальше - до элементарного металла. В зависимости от температуры и длительности реакции в «горячей» зоне меняются чистота и размеры зерен выделяющегося на стенках «лодочки» порошкообразного вольфрама.
Восстановление может идти не только под действием водорода. На практике часто используется уголь. Применение твердого восстановителя несколько упрощает производство, однако в этом случае требуется более высокая температура - до 1300-1400° С. Кроме того, уголь и примеси, которые он всегда содержит, вступают в реакции с вольфрамом, образуя карбиды и другие соединения. Это приводит к загрязнению металла. Между тем электротехнике нужен весьма чистый вольфрам. Всего 0,1% железа делает вольфрам хрупким и малопригодным для изготовления тончайшей проволоки.
Получение вольфрама из хлоридов основано на процессе пиролиза. Вольфрам образует с хлором несколько соединений. С помощью избытка хлора все их можно перевести в высший хлорид - WCl 6 , который разлагается на вольфрам и хлор при 1600° С. В присутствии водорода этот процесс идет уже при 1000° С.
Так получают металлический вольфрам, но не компактный, а в виде порошка, который затем прессуют в токе водорода при высокой температуре. На первой стадии прессования (при нагреве до 1100-1300° С) образуется пористый ломкий слиток. Прессование продолжается при еще более высокой температуре, едва не достигающей под конец температуры плавления вольфрама. В этих условиях металл постепенно становится сплошным, приобретает волокнистую структуру, а с ней - пластичность и ковкость.

Главные свойства

Вольфрам отличается от всех остальных металлов особой тяжестью, твердостью и тугоплавкостью. Давно известно выражение: «Тяжелый, как свинец». Правильнее было бы говорить: «Тяжелый, как вольфрам». Плотность вольфрама почти вдвое больше, чем свинца, точнее - в 1,7 раза. При этом атомная масса его несколько ниже: 184 против 207.

По тугоплавкости и твердости вольфрам и его сплавы занимают высшие места среди металлов. Технически чистый вольфрам плавится при 3410° С, а кипит лишь при 6690° С. Такая температура - на поверхности Солнца!
А выглядит «король тугоплавкости» довольно заурядно. Цвет вольфрама в значительной мере зависит от способа получения. Сплавленный вольфрам - блестящий серый металл, больше всего напоминающий платину. Вольфрамовый порошок - серый, темно-серый и даже черный (чем мельче зернение, тем темнее).

Химическая активность

Природный вольфрам состоит из пяти стабильных изотопов с массовыми числами от 180 до 186. Кроме того, в атомных реакторах в результате различных ядерных реакций образуются еще 8 радиоактивных изотопов вольфрама с массовыми числами от 176 до 188; все они сравнительно недолговечны: их периоды полураспада - от нескольких часов до нескольких месяцев.
Семьдесят четыре электрона атома вольфрама расположены вокруг ядра таким образом, что шесть из них находятся на внешних орбитах и могут быть отделены сравнительно легко. Поэтому максимальная валентность вольфрама равна шести. Однако строение этих внешних орбит особое - они состоят как бы из двух «ярусов»: четыре электрона принадлежат предпоследнему уровню -d, который оказывается, таким образом, заполненным меньше чем наполовину. (Известно, что число электронов в заполненном уровне d равно десяти.) Эти четыре электрона (очевидно, неспарепные) способны легко образовывать химическую связь. Что же касается двух «самых наружных» электронов, то их оторвать совсем легко.
Именно особенностями строения электронной оболочки объясняется высокая химическая активность вольфрама. В соединениях он бывает не только шестивалентным, но и пяти-, четырех-, трех-, двух- и нульвалентным. (Неизвестны лишь соединения одновалентного вольфрама).
Активность вольфрама проявляется в том, что он вступает в реакции с подавляющим болишинстом элементов, образуя множество простых и сложных соединений. Даже в сплавах вольфрам часто оказывается химически связанным. А с кислородом и другими окислителями он взаимодействует легче, чем большинство тяжелых металлов.
Реакция вольфрама с кислородом идет при нагревании, особенно легко - в присутствии паров воды. Если вольфрам нагревать на воздухе, то при 400-500° С на поверхности металла образуется устойчивый низший окисел W0 2 ; вся поверхность затягивается коричневой пленкой. При более высокой температуре сначала получается промежуточный окисел W 4 O 11 синего цвета, а затем лимонножелтая трехокись вольфрама W0 3 , которая возгоняется при 923° С.

Сухой фтор соединяется с тонкоизмельченным вольфрамом уже при небольшом нагревании. При этом образуется гексафторид WF6 - вещество, которое плавится при 2,5° С и кипит при 19,5° С. Аналогичное соединение - WCl 6 - получается при реакции с хлором, но лишь при 600° С. Сине-стального цвета кристаллы WCl 6 плавятся при 275° С и кипят при 347° С. С бромом и йодом вольфрам образует малоустойчивые соединения: пента- и дибромид, тетра- и дииоднд.
При высокой температуре вольфрам соединяется с серой, селеном и теллуром, с азотом и бором, с углеродом и кремнием. Некоторые из этих соединений отличаются большой твердостью и другими замечательными свойствами.
Очень интересен карбонил W(CO) 6 . Здесь вольфрам соединен с окисью углерода и, следовательно, обладает нулевой валентностью. Карбонил вольфрама неустойчив; его получают в специальных условиях. При 0° он выделяется из соответствующего раствора в виде бесцветных кристаллов, при 50° С возгоняется, а при 100° С полностью разлагается. Но именно это соединение позволяет получить тонкие и плотные покрытия из чистого вольфрама.
Не только сам вольфрам, но и многие его соединения весьма активны. В частности, окись вольфрама WO 3 способна к полимеризации. В результате образуются так называемые изополисоединения и гетерополисоединения: молекулы последних могут содержать более 50 атомов.

Сплавы

Почти со всеми металлами вольфрам образует сплавы, однако получить их не так-то просто. Дело в том, что общепринятые методы сплавления в данном случае, как правило, неприменимы. При температуре плавления вольфрама большинство других металлов уже превращается в газы пли весьма летучие жидкости. Поэтому сплавы, содержащие вольфрам, обычно получают методами порошковой металлургии.
Во избежание окисления все операции проводят в вакууме или в атмосфере аргона. Делается это так. Сначала смесь металлических порошков прессуют, затем спекают и подвергают дуговой плавке в электрических печах. Иногда прессуют и спекают один вольфрамовый порошок, а полученную таким путем пористую заготовку пропитывают жидким расплавом другого металла: получаются так называемые псевдосплавы. Этим методом пользуются, когда нужно получить сплав вольфрама с медью и серебром.

С хромом и молибденом, ниобием и танталом вольфрам дает обычные (гомогенные) сплавы при любых соотношениях. Уже небольшие добавки вольфрама повышают твердость этих металлов и их устойчивость к окислению.
Сплавы с железом, никелем и кобальтом более сложны. Здесь, в зависимости от соотношения компонентов, образуются либо твердые растворы, либо интерметаллические соединения (химические соединения металлов), а в присутствии углерода (который всегда имеется в стали) - смешанные карбиды вольфрама и железа, придающие металлу еще большую твердость.
Очень сложные соединения образуются при сплавлении вольфрама с алюминием, бериллием и титаном: в них на один атом вольфрама приходится от 2 до 12 атомов легкого металла. Эти сплавы отличаются жаропрочностью и устойчивостью к окислению при высокой температуре.
На практике чаще всего применяются сплавы вольфрама не с одним каким-либо металлом, а с несколькими. Таковы, в частности, кислотостойкие сплавы вольфрама с хромом и кобальтом или никелем (амалой); из них делают хирургические инструменты. Лучшие марки магнитной стали содержат вольфрам, железо и кобальт. А в специальных жаропрочных сплавах, кроме вольфрама, имеются хром, никель и алюминий.
Из всех сплавов вольфрама наибольшее значение приобрели вольфрамсодержащие стали. Они устойчивы к истиранию, не дают трещин, сохраняют твердость вплоть до температуры красного каления. Инструмент из них не только позволяет резко интенсифицировать процессы металлообработки (скорость обработки металлических изделий повышается в 10-15 раз), но и служит намного дольше, чем тот же инструмент из другой стали.
Вольфрамовые сплавы не только жаропрочны, но и жаростойки. Они не корродируют при высокой температуре под действием воздуха, влаги и различных химических реагентов. В частности, 10% вольфрама, введенного в никель, достаточно, чтобы повысить коррозионную устойчивость последнего в 12 раз! А карбиды вольфрама с добавкой карбидов тантала и титана, сцементированные кобальтом, устойчивы к действию многих кислот - азотной, серной и соляной - даже при кипячении. Им опасна только смесь плавиковой и азотной кислот.

Еще в 16 веке был известен минерал вольфрамит, который в переводе с немецкого (Wolf Rahm ) означает «волчьи сливки». Такое название минерал получил в связи со своими особенностями. Дело в том, что вольфрам, который сопровождал оловянные руды, во время выплавки олова превращал его просто в пену шлаков, поэтому и говорили: «пожирает олово, как волк овцу». Спустя время, именно от вольфрамита и было унаследовано 74 химическим элементом периодической системы название вольфрам.

Характеристики вольфрама

Вольфрам является переходным металлом светло-серого цвета. Имеет внешнее сходство со сталью. В связи с обладанием достаточно уникальными свойствами, данный элемент является очень ценным и редким материалом, чистый вид которого в природе отсутствует. Вольфрам обладает:

• достаточно высокой плотностью, которая приравнивается к 19,3 г/см 3 ;
• высокой температурой плавления, составляющей 3422 0 С;
• достаточным электросопротивлением - 5,5 мкОм*см;
• нормальным показателем коэффициента параметра линейного расширения, равняющегося 4,32;
• наивысшей среди всех металлов температурой кипения, равняющейся 5555 0 С;
• низкой скоростью испарения, даже не смотря на температуры, превышающие 200 0 С;
• относительно низкой электропроводностью. Однако, это не мешает вольфраму оставаться хорошим проводником.

Все это делает вольфрам очень прочным металлом, который не поддается механическим повреждениям. Но наличие таких уникальных свойств не исключает присутствие недостатков, которые также есть у вольфрама. К ним относятся:

• высокая ломкость при воздействии на него очень низких температур;
• высокая плотность, что затрудняет процесс его обработки;
• низкая сопротивляемость кислотам при низких температурах.

Получение вольфрама

Вольфрам, наряду с молибденом, рубидием и рядом других веществ, входит в группу редких металлов, которые характеризуются очень малым распространением в природе. В связи с этим, его нельзя добыть традиционным способом, как многие полезные ископаемые. Таким образом, промышленное получение вольфрама состоит из следующих этапов:

• добычи руды, в составе которой содержится определенная доля вольфрама;
• организации надлежащих условий, в которых можно выделить металл от перерабатываемой массы;
• концентрации вещества в виде раствора или осадка;
• очистки получившегося в результате предыдущего этапа химического соединения;
• выделении чистого вольфрама.

Таким образом, чистое вещество из добытой руды, содержащей вольфрам, можно выделить несколькими способами.

1. В результате обогащения вольфрамовой руды гравитацией, флотацией, магнитной или электрической сепарацией. В процессе этого образуется вольфрамовый концентрат, на 55-65% состоящий из ангидрида (трехокиси) вольфрама WO 3 . В концентратах данного металла ведется контроль за содержанием примесей, в качестве которых могут выступать фосфор, сера, мышьяк, олово, медь, сурьма и висмут.
2. Как известно, трехокись вольфрама WO 3 является основным материалом для выделения металлического вольфрама или карбида вольфрама. Получение WO 3-- происходит в результате разложения концентратов, выщелачивания сплава или спека и др. В таком случае, на выходе образуется материал на 99,9% состоящий из WO 3 .
3. Из ангидрида вольфрама WO 3 . Именно путем восстановления данного вещества водородом или углеродом получают вольфрамовый порошок. Применения второго компонента для восстановительной реакции применяют реже. Это связано с насыщением в процессе реакции WO 3 карбидами, в результате чего металл теряет свою прочность и его становится тяжелее обработать. Вольфрамовый порошок получают особыми способами, благодаря которым становится возможным проводить контроль его химического состава, размеров и формы зерен, а также гранулометрического состава. Так, фракцию частиц порошка можно увеличить путем быстрого нарастания температуры или низкой скоростью подачи водорода.
4. Производство компактного вольфрама, который имеет вид штабиков или слитков и представляет собой заготовку для дальнейшего изготовления полуфабрикатов - проволоки, прутков, ленты и др.

Последний способ, в свою очередь, включает в себя два возможных варианта. Один из них связан с методами порошковой металлургии, а другой - с плавкой в электрических дуговых печах с расходуемым электродом.

Метод порошковой металлургии

В силу того, что благодаря данному способу можно равномернее распределить присадки, наделяющие вольфрам особыми его свойствами, он более популярен.

Он включает несколько этапов:

1. Металлический порошок прессуется в штабики;
2. Заготовки подвергаются спеканию при низких температурах (так называемое, предварительное спекание);
3. Сваривание заготовок;
4. Получение полуфабрикатов путем обработки заготовок. Реализация данного этапа осуществляется ковкой или механической обработкой (шлифовка, полировка). Стоит отметить, что механическая обработка вольфрама становится возможной только под воздействием высоких температур, в противном случае, его обработать невозможно.

При этом, порошок должен быть хорошо очищен с максимально допустимым процентным содержанием примесей до 0,05%.

Данный метод позволяет получить вольфрамовые штабики, имеющие квадратное сечение от 8х8 до 40х40 мм и длину в 280-650 мм. Стоит отметить, что в условиях комнатных температур они достаточно прочны, однако имеют повышенную хрупкость.

Плавка

Данный способ применяется, если необходимо получить вольфрамовые заготовки достаточно крупных габаритов - от 200 кг до 3000 кг. Такие заготовки, как правило, необходимы для проката, вытяжки труб, изготовления изделий путем литья. Для плавки необходимо создание специальных условий - вакуум или разреженная атмосфера водорода. На выходе образуются слитки вольфрама, обладающие крупнокристаллической структурой, а также высокой хрупкостью в связи с наличием большого количества примесей. Содержание примесей можно снизить за счет предварительной плавки вольфрама в электронно-лучевой печи. Однако, структура при этом остается неизменной. В связи с чем, для уменьшения размера зерна происходит дальнейшая плавка слитков, но уже в электрической дуговой печи. При этом, в процессе плавки к слиткам добавляются легирующие вещества, наделяющие вольфрам особыми свойствами.

Чтобы получить вольфрамовые слитки, имеющие мелкозернистую структуру, используют дуговую гарниссажную плавку с разливкой металла в изложницу.

Способ получения металла определяет наличие в нем присадок и примесей. Таким образом, сегодня производится несколько марок вольфрама.

Марки вольфрама

1. ВЧ - чистый вольфрам, в котором отсутствуют какие-либо присадки;
2. ВА - металл, имеющий в своем составе алюминиевую и кремнещелоную присадку, которые наделяют его дополнительными свойствами;
3. ВМ - металл, имеющий в своем составе ториевую и кремнещелочную присадку;
4. ВТ - вольфрам, в составе которого содержится оксид тория в качестве присадки, что существенно повышает эмиссионные свойства металла;
5. ВИ - металл, содержащий оксид иттрия;
6. ВЛ - вольфрам с окисью лантана, что также повышает эмиссионные свойства;
7. ВР - сплав рения и вольфрама;
8. ВРН - какие-либо присадки в металле отсутствуют, однако могут присутствовать примеси в больших объемах;
9. МВ - сплав вольфрама с молибденом, что существенно повышает прочность после отжига, сохраняя при этом пластичность.

Где применяется вольфрам?

Благодаря своим уникальным свойствам, 74 химический элемент стал незаменимым во многих промышленных отраслях.

1. Основное применение вольфрама - в качестве основы для производства тугоплавких материалов в металлургии.
2. С обязательным участием вольфрама производятся нити накаливания, являющиеся главным элементом приборов освещения, кинескопов, а также иных вакуумных труб.
3. Также данный металл лежит в основе производства тяжелых сплавов, используемых в качестве противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий.
4. Вольфрам является электродами при аргонно-дуговой сварке;
5. Его сплавы отличаются высокой устойчивостью к воздействиям различных температур, кислой среде, а также твердостью и устойчивостью к истиранию, в связи с чем применяются при производстве хирургических инструментов, брони танков, торпедных и снарядных оболочек, деталей самолетов и двигателей, а также контейнеров для хранения ядерных отходов;
6. Вакуумные печи сопротивления, температура в которых достигает предельно высоких величин, оборудованы нагревательными элементами, произведенными также из вольфрама;
7. Использование вольфрама популярно для обеспечения защиты от ионизирующего излучения.
8. Соединения вольфрама используются в качестве легирующих элементов, высокотемпературных смазок, катализаторов, пигментов, а также для преобразования тепловой энергии в электрическую (дителлурид вольфрама).

Вольфрам - это химический элемент периодической системы Менделеева, который принадлежит к VI группе. В природе вольфрам встречается в виде смеси из пяти изотопов. В своем обычном виде и при обычных условиях он представляет собой твердый металл серебристо-серого цвета. Он также является самым тугоплавким из всех металлов.

Основные свойства вольфрама

Вольфрам - это металл, обладающий замечательными физическими и химическими свойствами. Практически во всех отраслях современного производства применяется вольфрам. Формула его обычно выражается в виде обозначения оксида металла - WO 3 . Вольфрам считается самым тугоплавким из металлов. Предполагается, что лишь сиборгий может быть еще более тугоплавок. Но точно пока этого утверждать нельзя, так как сиборгий имеет очень малое время существования.

Этот металл имеет особые физические и химические свойства. Вольфрам имеет плотность 19300 кг/м 3 , температура плавления его составляет 3410 °С. По этому параметру он занимает второе место после углерода - графита или алмаза. В природе вольфрам встречается в виде пяти стабильных изотопов. Их массовые числа находятся в интервале от 180 до 186. Вольфрам обладает 6-й валентностью, а в соединениях она может составлять 0, 2, 3, 4 и 5. Металл также имеет достаточно высокий уровень теплопроводности. Для вольфрама этот показатель составляет 163 Вт/(м*град). По этому свойству он превышает даже такие соединения, как сплавы алюминия. Масса вольфрама обусловлена его плотностью, которая равна 19кг/м 3 . Степень окисления вольфрама колеблется от +2 до +6. В высших степенях своего окисления металл имеет кислотные свойства, а в низших - основные.

При этом сплавы низших соединений вольфрама считаются неустойчивыми. Самыми стойкими являются соединения со степенью +6. Они проявляют и наиболее характерные для металла химические свойства. Вольфрам имеет свойство легко образовывать комплексы. Но металлический вольфрам обычно является очень стойким. Он начинает взаимодействовать с кислородом лишь при температуре +400 °С. Кристаллическая решетка вольфрама относится к типу кубических объемноцентрированных.

Взаимодействие с другими химическими веществами

Если вольфрам смешать с сухим фтором, то можно получить соединение под названием "гексафторид", который плавится уже при температуре 2,5 °С, а закипает при 19,5 °С. Похожее вещество получают при соединении вольфрама с хлором. Но для такой реакции необходима достаточно высокая температура - порядка 600 °С. Однако вещество легко противостоит разрушительному действию воды и практически не подвергается изменениям на холоде. Вольфрам - металл, который без кислорода не производит реакции растворения в щелочах. Однако он легко растворяется в смеси HNO 3 и HF. Самые главные из химических соединений вольфрама - это его трехокись WO 3 , Н 2 WO 4 - вольфрамовая кислота, а также ее производные - соли вольфраматы.

Можно рассмотреть некоторые химические свойства вольфрама с уравнениями реакций. Например, формула WO 3 + 3H 2 = W+3H 2 O. В ней металл вольфрам восстанавливается из оксида, проявляется его свойство взаимодействия с водородом. Это уравнение отражает процесс получения вольфрама из его триоксида. Следующей формулой обозначается такое свойство, как практическая нерастворимость вольфрама в кислотах: W + 2HNO3 + 6HF = WF6 + 2NO + 4H2O. Одним из наиболее примечательных веществ, содержащих вольфрам, считается карбонил. Из него получают плотные и ультратонкие покрытия из чистого вольфрама.

История открытия

Вольфрам - металл, получивший свое название из латинского языка. В переводе это слово означает «волчья пена». Такое необычное название появилось из-за поведения металла. Сопровождая добытую оловянную руду, вольфрам мешал выделению олова. Из-за него в процессе выплавки образовывались только шлаки. Об этом металле говорили, что он «поедает олово, как волк ест овцу». Для многих интересно, кто открыл химический элемент вольфрам?

Это научное открытие было сделано одновременно в двух местах разными учеными, независимо друг от друга. В 1781 году химик из Швеции Шееле получил так называемый «тяжелый камень», проводя опыты с азотной кислотой и шеелитом. В 1783 году братья-химики из Испании по фамилии Элюар также сообщил об открытии нового элемента. Точнее, ими был открыт оксид вольфрама, растворявшийся в аммиаке.

Сплавы с другими металлами

В настоящее время различают однофазные и многофазные вольфрамовые сплавы. Они содержат один или несколько посторонних элементов. Самое известное соединение - это сплав вольфрама и молибдена. Добавление молибдена придает вольфраму прочность при его растяжении. Также к категории однофазных сплавов принадлежат соединения вольфрама с титаном, гафнием, цирконием. Самую большую пластичность вольфраму придает рений. Однако практически применять такой сплав - довольно трудоемкий процесс, так как рений очень тяжело добыть.

Так как вольфрам является одним из самых тугоплавких материалов, то получать вольфрамовые сплавы - непростая задача. Когда этот металл только начинает закипать, другие уже переходят в жидкость или состояние газа. Но современные ученые умеют получать сплавы при помощи процесса электролиза. Сплавы, содержащие вольфрам, никель и кобальт, используются для нанесения защитного слоя на непрочные материалы.

В современной металлургической промышленности также получают сплавы, используя вольфрамовый порошок. Для его создания необходимы особенные условия, включая создание вакуумной обстановки. Из-за некоторых особенностей взаимодействия вольфрама с другими элементами металлурги предпочитают создавать сплавы не двухфазной характеристики, а с применением 3, 4 и более составляющих. Эти сплавы особенно прочны, но при четком соблюдении формул. При малейших отклонениях процентных составляющих сплав может получиться хрупким и непригодным к использованию.

Вольфрам - элемент, применяющийся в технике

Из этого металла изготавливают нити накаливания обыкновенных лампочек. А также трубки для рентгеновских аппаратов, составляющие вакуумных печей, которые должны использоваться при крайне высоких температурах. Сталь, в состав которой входит вольфрам, имеет очень высокий уровень прочности. Такие сплавы используются для изготовления инструментов в самых различных областях: для бурения скважин, в медицине, машиностроении.

Главное преимущество соединения стали и вольфрама - износоустойчивость, маловероятность повреждений. Самый известный в строительстве вольфрамовый сплав носит название «победит». Также этот элемент широко используется в химической промышленности. С его добавлением создают краски, пигменты. Особенно широкое применение в этой сфере получил оксид вольфрама 6. Его применяют для изготовления карбидов и галогенидов вольфрама. Другое название этого вещества - триоксид вольфрама. 6 используется как желтый пигмент в красках для керамики и изделий из стекла.

Что такое тяжелые сплавы?

Все сплавы на основе вольфрама, которые обладают высоким показателем плотности, называют тяжелыми. Их получают только при помощи методов порошковой металлургии. Вольфрам всегда является основой тяжелых сплавов, где его содержание может составлять до 98 %. Кроме этого металла, в тяжелые сплавы добавляется никель, медь и железо. Однако в них могут входить и хром, серебро, кобальт, молибден. Самую большую популярность получили сплавы ВМЖ (вольфрам - никель - железо) и ВНМ (вольфрам - никель - медь). Высокий уровень плотности таких сплавов позволяет им поглощать опасное гамма-излучение. Из них изготавливают маховики колес, электрические контакты, роторы для гироскопов.

Карбид вольфрама

Около половины всего вольфрама применяется для изготовления прочных металлов, особенно вольфрамового карбида, который имеет температуру плавления 2770 С. Карбид вольфрама представляет собой химическое соединение, в котором содержится равное количество атомов углерода и вольфрама. Этот сплав имеет особые химические свойства. Вольфрам придает ему такую прочность, что по этому показателю он превосходит сталь в два раза.

Карбид вольфрама широко используется в промышленности. Из него изготавливают режущие предметы, которые должны быть очень устойчивы к высоким температурам и истиранию. Также из этого элемента изготавливают:

• Детали самолетов, двигатели автомобилей.
• Детали для космических кораблей.
• Медицинские хирургические инструменты, которые применяются в сфере полостной хирургии. Такие инструменты дороже обычной медицинской стали, однако они более производительны.
• Ювелирные изделия, особенно обручальные кольца. Такая популярность вольфрама связана с его прочностью, которая для венчающихся символизирует прочность взаимоотношений, а также внешним видом. Характеристики вольфрама в отполированном виде таковы, что он в течение очень длительного времени сохраняет зеркальный, блестящий вид.
• Шарики для шариковых ручек класса люкс.

Победит - сплав вольфрама

Приблизительно во второй половине 1920-х годов во многих странах начали выпускаться сплавы для режущих инструментов, которые получали из карбидов вольфрама и металлического кобальта. В Германии такой сплав назывался видиа, в Штатах - карбола. В Советском Союзе такой сплав получил название «победит». Эти сплавы оказались прекрасными для обработки чугунной продукции. Победит является металлокерамическим сплавом с чрезвычайно высоким уровнем прочности. Он изготавливается в виде пластинок различных форм и размеров.

Процесс изготовления победита сводится к следующему: берется порошок карбида вольфрама, мелкий порошок никеля или кобальта, и все перемешивается и прессуется в специальных формах. Спрессованные таким образом пластины подвергаются дальнейшей температурной обработке. Это дает очень твердый сплав. Эти пластины используются не только для резки чугуна, но и для изготовления бурильных инструментов. Пластинки из победита напаиваются на бурильное оборудование при помощи меди.

Распространенность вольфрама в природе

Этот металл очень мало распространен в окружающей среде. После всех элементов он занимает 57-е место и содержится в виде кларка вольфрама. Также металл образует минералы - шеелит и вольфрамит. Вольфрам мигрирует в подземные воды либо в виде собственного иона, либо в виде всевозможных соединений. Но его наибольшая концентрация в подземных водах ничтожно мала. Она составляет сотые доли мг/л и практически не меняет их химические свойства. Вольфрам также может попадать в природные водоемы из стоков заводов и фабрик.

Влияние на человеческий организм

Вольфрам практически не поступает в организм с водой или пищей. Может существовать опасность вдыхания вольфрамовых частиц вместе с воздухом на производстве. Однако, несмотря на принадлежность к категории тяжелых металлов, вольфрам не токсичен. Отравления вольфрамом случаются лишь у тех, кто связан с вольфрамовым производством. При этом степень влияния металла на организм бывает разной. Например, вольфрамовый порошок, карбид вольфрама и такое вещество, как ангидрит вольфрамовой кислоты, могут вызывать поражение легких. Его главные симптомы - общее недомогание, лихорадка. Более сильные симптомы возникают при отравлении сплавами вольфрама. Это происходит при вдыхании пыли сплавов и приводит к бронхитам, пневмосклерозу.

Металлический вольфрам, попадая внутрь человеческого организма, не всасывается в кишечнике и постепенно выводится. Большую опасность могут представлять вольфрамовые соединения, относящиеся к растворимым. Они откладываются в селезенке, костях и коже. При длительном воздействии вольфрамовых соединений могут возникать такие симптомы, как ломкость ногтей, шелушение кожи, различного рода дерматиты.

Запасы вольфрама в различных странах

Самые большие ресурсы вольфрама находятся в России, Канаде и Китае. По прогнозам ученых, на отечественных территориях располагается около 943 тысяч тонн этого металла. Если верить этим оценкам, то подавляющая часть запасов расположена в Южной Сибири и на Дальнем Востоке. Очень незначительной является доля разведанных ресурсов - она составляет всего лишь порядка 7 %.

По количеству разведанных залежей вольфрама Россия уступает лишь Китаю. Большая их часть расположена в районах Кабардино-Балкарии и Бурятии. Но в этих месторождениях добывается не чистый вольфрам, а его руды, содержащие также молибден, золото, висмут, теллур, скандий и другие вещества. Две трети получаемых объемов вольфрама из разведанных источников заключены в труднообогатимых рудах, где главным вольфрамосодержащим минералом является шеелит. На долю легкообогатимых руд приходится всего лишь треть всей добычи. Характеристики вольфрама, добываемого на территории России, ниже, чем за рубежом. Руды содержат большой процент триоксида вольфрама. В России очень мало россыпных месторождений металла. Вольфрамовые пески также являются низкокачественными, с большим количеством оксидов.

Вольфрам в экономике

Глобальное производство вольфрама начало свой рост примерно с 2009 года, когда стала восстанавливаться азиатская промышленность. Крупнейшим производителем вольфрама остается Китай. Например, в 2013 году на долю производства этой страны приходился 81 % от мирового предложения. Около 12 % спроса на вольфрам связано с производством осветительных приборов. По прогнозам экспертов, использование вольфрама в этой сфере будет сокращаться на фоне применения светодиодных и люминесцентных ламп как в бытовых условиях, так и на производстве.

Считается, что будет расти спрос на вольфрам в сфере производства электронной техники. Высокая износостойкость вольфрама и его способность выдерживать электричество делают этот металл наиболее подходящим для производства регуляторов напряжения. Однако по объему этот спрос пока остается довольно незначительным, и считается, что к 2018 году он вырастет лишь на 2 %. Однако согласно прогнозам ученых, в ближайшее время должен произойти рост спроса на цементированный карбид. Это связано с ростом автомобильного производства в США, Китае, Европе, а также увеличением горнодобывающей промышленности. Считается, что к 2018 году спрос на вольфрам увеличится на 3,6 %.

Вольфрам - самый тугоплавкий из металлов . Более высокую температуру плавления имеет только неметаллический элемент - углерод , но он существует в жидком виде только при высоких давлениях. При стандартных условиях вольфрам химически стоек.

История и происхождение названия

Название Wolframium перешло на элемент с минерала вольфрамит , известного ещё в XVI в. под названием «волчья пена» - лат. spuma lupi или нем. Wolf Rahm . Название было связано с тем, что вольфрам, сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова , переводя его в пену шлаков («пожирал олово как волк овцу»).

Физические свойства

Вольфрам - блестящий светло-серый металл , имеющий самые высокие доказанные температуры плавления и кипения (предполагается, что сиборгий ещё более тугоплавок, но пока что об этом твёрдо утверждать нельзя - время существования сиборгия очень мало). Температура плавления - 3695 (3422 °C), кипит при 5828 (5555 °C) . Плотность чистого вольфрама составляет 19,25 г/см³ . Обладает парамагнитными свойствами (магнитная восприимчивость 0,32⋅10 −9). Твёрдость по Бринеллю 488 кг/мм², удельное электрическое сопротивление при 20 °C - 55⋅10 −9 Ом·м, при 2700 °C - 904⋅10 −9 Ом·м. Скорость звука в отожжённом вольфраме 4290 м/с.

Вольфрам является одним из наиболее тяжёлых, твёрдых и самых тугоплавких металлов . В чистом виде представляет собой металл серебристо-белого цвета, похожий на платину, при температуре около 1600 °C хорошо поддаётся ковке и может быть вытянут в тонкую нить. Металл обладает высокой устойчивостью в вакууме .

Химические свойства

Реагирует с расплавленными щелочами в присутствии окислителей :

Поначалу данные реакции идут медленно, однако при достижении 400 °C (500 °C для реакции с участием кислорода) вольфрам начинает саморазогреваться, и реакция протекает достаточно бурно, с образованием большого количества тепла.

Растворяется в смеси азотной и плавиковой кислоты, образуя гексафторвольфрамовую кислоту H 2 . Из соединений вольфрама наибольшее значение имеют: триоксид вольфрама или вольфрамовый ангидрид, вольфраматы, перекисные соединения с общей формулой Me 2 WO X , а также соединения с галогенами, серой и углеродом. Вольфраматы склонны к образованию полимерных анионов , в том числе гетерополисоединений с включением других переходных металлов.

Применение

Главное применение вольфрама - как основа тугоплавких материалов в металлургии.

Металлический вольфрам

Соединения вольфрама

• Для механической обработки металлов и неметаллических конструкционных материалов в машиностроении (точение , фрезерование , строгание , долбление), бурения скважин, в горнодобывающей промышленности широко используются твёрдые сплавы и композитные материалы на основе карбида вольфрама (например, победит , состоящий из кристаллов WC в кобальтовой матрице; широко применяемые в России марки - ВК2, ВК4, ВК6, ВК8, ВК15, ВК25, Т5К10, Т15К6, Т30К4), а также смесей карбида вольфрама , карбида титана , карбида тантала (марки ТТ для особо тяжёлых условий обработки, например, долбление и строгание поковок из жаропрочных сталей и перфораторное ударно-поворотное бурение крепкого материала). Широко используется в качестве легирующего элемента (часто совместно с молибденом) в сталях и сплавах на основе железа. Высоколегированная сталь, относящаяся к классу «быстрорежущая», с маркировкой, начинающейся на букву Р, практически всегда содержит вольфрам.
• Сульфид вольфрама WS 2 применяется как высокотемпературная (до 500 °C) смазка .

• Некоторые соединения вольфрама применяются как катализаторы и пигменты .

• Монокристаллы вольфраматов (вольфраматы свинца , кадмия , кальция) используются как сцинтилляционные детекторы рентгеновского излучения и других ионизирующих излучений в ядерной физике и ядерной медицине .

• Дителлурид вольфрама WTe 2 применяется для преобразования тепловой энергии в электрическую (термо-ЭДС около 57 мкВ/К).

Другие сферы применения

Рынок вольфрама

Цены на металлический вольфрам (содержание элемента порядка 99 %) на конец 2010 года составляли около 40-42 долларов США за килограмм, в мае 2011 года составляли около 53-55 долларов США за килограмм. Полуфабрикаты от 58 USD (прутки) до 168 (тонкая полоса). В 2014 году цены на вольфрам колебались в диапазоне от 55 до 57 USD.

Биологическая роль

Вольфрам не играет значительной биологической роли. У некоторых архебактерий и бактерий имеются ферменты , включающие вольфрам в своем активном центре. Существуют облигатно-зависимые от вольфрама формы архебактерий-гипертермофилов, обитающие вокруг глубоководных гидротермальных источников. Присутствие вольфрама в составе ферментов может рассматриваться как физиологический реликт раннего архея - существуют предположения, что вольфрам играл роль в ранних этапах возникновения жизни .

Природный вольфрам состоит из смеси пяти изотопов (180 W - 0,12(1)%, 182 W - 26,50(16) %, 183 W - 14,31(4) %, 184 W - 30,64(2) % и 186 W - 28,43(19) %) . В открыта чрезвычайно слабая радиоактивность природного вольфрама (примерно два распада на грамм элемента в год), обусловленная α-активностью 180 W, имеющего период полураспада 1,8⋅10 18 лет .

Примечания

1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry . - 2013. - Vol. 85 , no. 5 . - P. 1047-1078 . - DOI :10.1351/PAC-REP-13-03-02 .
2. Tungsten: physical properties (англ.) . WebElements. Дата обращения 17 августа 2013.

Вольфрам - самый тугоплавкий из металлов. Более высокую температуру плавления имеет только неметаллический элемент - углерод. При стандартных условиях химически стоек. Название Wolframium перешло на элемент с минерала вольфрамит, известного ещё в XVI в. под названием лат. Spuma lupi («волчья пена») или нем. Wolf Rahm («волчьи сливки», «волчий крем»). Название было связано с тем, что вольфрам, сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков («пожирает олово как волк овцу»).

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

В объемно-центрированной кубической ячейке вольфрама атомы располагаются по вершинам и в центре ячейки, т.е. на одну ячейку приходится два атома. ОЦК-структура не является плотнейшей упаковкой атомов. Коэффициент компактности равен 0,68. Пространственная группа вольфрама Im3m.

СВОЙСТВА

Вольфрам - блестящий светло-серый металл, имеющий самые высокие доказанные температуры плавления и кипения (предполагается, что сиборгий ещё более тугоплавок, но пока что об этом твёрдо утверждать нельзя - время существования сиборгия очень мало). Температура плавления - 3695 K (3422 °C), кипит при 5828 K (5555 °C). Плотность чистого вольфрама составляет 19,25 г/см³. Обладает парамагнитными свойствами (магнитная восприимчивость 0,32·10−9). Твердость по Бринеллю 488 кг/мм², удельное электрическое сопротивление при 20 °C - 55·10−9 Ом·м, при 2700 °C - 904·10−9 Ом·м. Скорость звука в отожжённом вольфраме 4290 м/с. Является парамагнетиком.

Вольфрам является одним из наиболее тяжелых, твердых и самых тугоплавких металлов. В чистом виде представляет собой металл серебристо-белого цвета, похожий на платину, при температуре около 1600 °C хорошо поддается ковке и может быть вытянут в тонкую нить.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 1,3 г/т (0,00013 % по содержанию в земной коре). Его среднее содержание в горных породах, г/т: ультраосновных - 0,1, основных - 0,7, средних - 1,2, кислых - 1,9.

Процесс получения вольфрама проходит через подстадию выделения триоксида WO 3 из рудных концентратов и последующем восстановлении до металлического порошка водородом при температуре около 700 °C. Из-за высокой температуры плавления вольфрама для получения компактной формы используются методы порошковой металлургии: полученный порошок прессуют, спекают в атмосфере водорода при температуре 1200-1300 °C, затем пропускают через него электрический ток. Металл нагревается до 3000 °C, при этом происходит спекание в монолитный материал. Для последующей очистки и получения монокристаллической формы используется зонная плавка.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трехокисью вольфрама WO 3 с оксидами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрамат железа и марганца nFeWO 4 * mMnWO 4 - соответственно, ферберит и гюбнерит) и шеелит (вольфрамат кальция CaWO 4). Вольфрамовые минералы обычно вкраплены в гранитные породы, так что средняя концентрация вольфрама составляет 1-2 %.

Наиболее крупными запасами обладают Казахстан, Китай, Канада и США; известны также месторождения в Боливии, Португалии, России, Узбекистане и Южной Корее. Мировое производство вольфрама составляет 49-50 тысяч тонн в год, в том числе в Китае 41, России 3,5; Казахстане 0,7, Австрии 0,5. Основные экспортёры вольфрама: Китай, Южная Корея, Австрия. Главные импортёры: США, Япония, Германия, Великобритания.
Также есть месторождения вольфрама в Армении и других странах.

ПРИМЕНЕНИЕ

Тугоплавкость и пластичность вольфрама делают его незаменимым для нитей накаливания в осветительных приборах, а также в кинескопах и других вакуумных трубках.
Благодаря высокой плотности вольфрам является основой тяжёлых сплавов, которые используются для противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий, сердечников бронебойных пуль и сверхскоростных роторов гироскопов для стабилизации полёта баллистических ракет (до 180 тыс. об/мин).

Вольфрам используют в качестве электродов для аргоно-дуговой сварки. Сплавы, содержащие вольфрам, отличаются жаропрочностью, кислотостойкостью, твердостью и устойчивостью к истиранию. Из них изготовляют хирургические инструменты (сплав «амалой»), танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей, контейнеры для хранения радиоактивных веществ. Вольфрам - важный компонент лучших марок инструментальных сталей. Вольфрам применяется в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления в качестве нагревательных элементов. Сплав вольфрама и рения применяется в таких печах в качестве термопары.

Для механической обработки металлов и неметаллических конструкционных материалов в машиностроении (точение, фрезерование, строгание, долбление), бурения скважин, в горнодобывающей промышленности широко используются твёрдые сплавы и композитные материалы на основе карбида вольфрама (например, победит, состоящий из кристаллов WC в кобальтовой матрице; широко применяемые в России марки - ВК2, ВК4, ВК6, ВК8, ВК15, ВК25, Т5К10, Т15К6, Т30К4), а также смесей карбида вольфрама, карбида титана, карбида тантала (марки ТТ для особо тяжёлых условий обработки, например, долбление и строгание поковок из жаропрочных сталей и перфораторное ударно-поворотное бурение крепкого материала). Широко используется в качестве легирующего элемента (часто совместно с молибденом) в сталях и сплавах на основе железа. Высоколегированная сталь, относящаяся к классу «быстрорежущая», с маркировкой, начинающейся на букву Р, практически всегда содержит вольфрам. (Р18, Р6М5. от rapid — быстрый, скорость).

Сульфид вольфрама WS 2 применяется как высокотемпературная (до 500 °C) смазка. Некоторые соединения вольфрама применяются как катализаторы и пигменты. Монокристаллы вольфраматов (вольфраматы свинца, кадмия, кальция) используются как сцинтилляционные детекторы рентгеновского излучения и других ионизирующих излучений в ядерной физике и ядерной медицине.

Дителлурид вольфрама WTe 2 применяется для преобразования тепловой энергии в электрическую (термо-ЭДС около 57 мкВ/К). Искусственный радионуклид 185 W используется в качестве радиоактивной метки при исследованиях вещества. Стабильный 184 W используется как компонент сплавов с ураном-235, применяемых в твердофазных ядерных ракетных двигателях, поскольку это единственный из распространённых изотопов вольфрама, имеющий низкое сечение захвата тепловых нейтронов (около 2 барн).

Вольфрам (англ. Tungsten) — W

КЛАССИФИКАЦИЯ